DE19638581A1

DE19638581A1 - Implantable device for tachycardia early detection and suppression in the heart

Info

Publication number: DE19638581A1
Application number: DE19638581A
Authority: DE
Inventors: Armin Dr Bolz; Klaus Dr Bartels; Erhard Flach; Rainer Dr Hintsche; Manfred Paeschke
Original assignee: Biotronik Mess und Therapiegeraete GmbH and Co
Current assignee: Biotronik SE and Co KG
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-03-26
Also published as: US5871511A; EP0830876A3; EP0830876B1; EP0830876A2; DE59709607D1

Description

Die Erfindung betrifft eine implantierbare Vorrichtung zur Tachykar die-Früherkennung und -Unterdrückung beim Herzen.The invention relates to an implantable device for tachycar early detection and suppression of the heart.

Zum Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist kurz auf die als Tachykar die bezeichnete Herzrhythmusstörung einzugehen, bei der die Herzrate über ein physiologisch sinnvolles Maß angestiegen ist. Dabei erfolgen die einzelnen Kontraktionen des Herzens so schnell, daß pro Kontraktion keine ausreichende Blutmenge befördert wird. Die Herzratenerhöhung wird also durch das Absinken des Schlagvolumens überkompensiert.The background of the present invention is briefly referred to as Tachykar enter the designated arrhythmia at which the heart rate has risen above a physiologically reasonable level. The individual contractions of the heart so quickly that none per contraction sufficient blood is transported. The heart rate increase is so overcompensated by the drop in stroke volume.

Grundsätzlich sind ventrikuläre Tachykardie-Zustände gefährlich, da die Pumpleistung des Herzens hauptsächlich vom Ventrikel erbracht wird, während das Atrium nur in sehr begrenztem Maße zur Blutförderung bei trägt.Basically, ventricular tachycardia conditions are dangerous because of the Pumping power of the heart is mainly provided by the ventricle, while the atrium contributes to blood production to a very limited extent wearing.

Ventrikuläre Tachykardie-Zustände können in unterschiedliche Schwere grade eingeteilt werden. Eine erste Stufe ist durch Veränderungen in der Morphologie der elektrischen Reizsignale der Herzmuskelzellen und Unre gelmäßigkeit im leicht erhöhten Herzrhythmus gekennzeichnet.Ventricular tachycardia states can vary in severity just be classified. A first stage is through changes in the Morphology of electrical stimulus signals from cardiac muscle cells and unre irregularity characterized by a slightly increased heart rhythm.

Eine zweite Stufe ist das sogenannte Herzflattern mit einer noch nicht le bensbedrohlich angestiegenen Herzrate. Die Abnahme der Pumpleistung kann dabei jedoch bereits zu einer Ohnmacht des Patienten führen.A second stage is the so-called fluttering of the heart with a le not yet heart rate that has increased dangerously. The decrease in pumping power However, the patient may faint.

Die schwerste Stufe ist das sogenannte Herzflimmern, bei dem die drasti sche Abnahme der Pumpleistung innerhalb kürzestet Zeit zum Tod des Pa tienten führt.The most difficult level is the so-called cardiac fibrillation, in which the drasti decrease in pump power within the shortest time to the death of the Pa leads.

Bis heute wurden zur Therapie bei Tachykardie-Zuständen verschiedene, an den Schweregrad der Tachykardie angepaßte Maßnahmen ergriffen. So kann in einem weniger bedrohlichen Stadium das Einsetzen einer Tachy kardie häufig durch sogenannte antitachykarde Stimulation mit für Herz schrittmacher üblichen Stimulationsamplituden von einigen Volt unter drückt werden. Das stabil, jedoch zu schnell schlagende Herz wird da durch wieder "eingefangen", wozu Stimulationsimpulse in bestimmten Zeitabfolgen eingesetzt werden. Voraussetzung für den Erfolg einer sol chen gemäßigten Therapie ist die rechtzeitige Erkennung und Einstufung eines solchen Tachykardie-Zustandes.To date, various tachycardia conditions have been Measures adapted to the severity of the tachycardia. So may involve the insertion of a tachy at a less threatening stage cardiac often through so-called antitachycardia stimulation with for heart pacemaker usual stimulation amplitudes of a few volts below be pressed. The stable but too fast beating heart is there by "catching" again, for which stimulation impulses in certain Time sequences are used. Prerequisite for the success of a sol moderate therapy is timely detection and classification of such a tachycardia condition.

Im Falle von Herzflimmern (Fibrillation) jedoch wirkt in der Regel nur ein Defillibrationsschock von einigen Hundert Volt, falls diese Spannung di rekt im Herzen angelegt werden kann. Defibrillationsschocks, die außer halb des Körpers - beispielsweise über Brustelektroden - angelegt werden, müssen sogar Amplituden von einigen kV aufweisen.In the case of cardiac fibrillation (fibrillation), however, usually only acts Defill vibration shock of a few hundred volts if this voltage is di right in the heart. Defibrillation shocks that except half of the body - for example via breast electrodes - even have to have amplitudes of a few kV.

Ein Defibrillationsschock führt im Erfolgsfall zu einer elektrischen Erre gung aller Herzmuskelzellen, so daß sich anschließend alle Zellen gleich zeitig in der sogenannten Refraktärperiode befinden. Während dieser als "Totzeit" zu bezeichnenden Refraktärperiode wird jegliche Reizleitung in nerhalb des Herzens unterbrochen, also auch diejenige, die zuvor zur Fi brillation geführt hat. Letztere kann z. B. auf einer kreisenden Selbsterre gung beruhen, bei der eine Erregungsfront zyklisch um eine krankhaft ver änderte Herzgewebestelle - beispielsweise um eine Infarktnarbe - herum läuft.If successful, a defibrillation shock leads to an electrical pathogen supply of all myocardial cells, so that subsequently all cells are the same are early in the so-called refractory period. During this as Refractory period to be called "dead time" is any stimulus conduction in interrupted within the heart, including the one that previously went to Fi brilliant. The latter can e.g. B. on a circular self-stray in which an excitation front cyclically by a pathological ver changed heart tissue area - for example around an infarction scar running.

Zusammenfassend stellt der Defibrillationsschock also eine Art "Reset" des ganzen Herzmuskelapparates dar, der sehr drastisch und schmerzhaft für den Patienten ist. Es ist daher anzustreben, daß Tachykardie-Zustände möglichst früh erkannt und Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, um das Eintreten von Fibrillationen zu unterbinden.In summary, the defibrillation shock represents a kind of "reset" of the whole heart muscle apparatus, which is very drastic and painful for is the patient. It is therefore desirable to have tachycardia conditions recognized as early as possible and countermeasures can be taken, to prevent fibrillation from occurring.

Für diese Früherkennung ist die Detektion hoher Herzraten allein nicht aus reichend, da insbesondere im Bereich niedriger Herzraten tachykarde Zu stände nicht von natürlichen Steigerungen der Herzrate aufgrund physi scher Belastung unterschieden werden können. Deshalb werden zur Frü herkennung von Tachykardien im Stand der Technik vor allem zwei Ziel richtungen verfolgt. Es ist dies zum einen die auf einem Herzschrittmacher implementierte Auswertung der sogenannten Herzratenvariabilität in EKG-Diagrammen. Dabei sollen Unregelmäßigkeiten oder bestimmte Beschleu nigungsmuster des Herzrhythmus erkannt werden, die regelmäßig bei Be ginn des eigentlichen Tachykardie-Zustandes auftreten. Nachteilig bei die sem Verfähren sind die verhältnismäßig hohen Anforderungen an Rechen- und Speicherkapazität, wie sie durch heutige Implantate nicht ausreichend erfüllt werden.The detection of high heart rates is not sufficient for this early detection sufficient, especially in the area of low heart rates tachycardia would not stand by natural increases in heart rate due to physi shear load can be distinguished. That is why Detection of tachycardias in the prior art has two main objectives directions followed. On the one hand, this is the one on a pacemaker implemented evaluation of the so-called heart rate variability in ECG charts. Irregularities or certain types of acceleration should be considered patterns of cardiac rhythm are recognized, which are regular in Be beginning of the actual tachycardia state. A disadvantage of that This method is the relatively high demands on computing and storage capacity that is not sufficient with today's implants be fulfilled.

Zum anderen wird zur Tachykardie-Früherkennung eine Auswertung der Aktionspotentiale von Herzmuskelzellen herangezogen. Deren Morpholo gie unterliegt bereits frühzeitig vor Beginn einer Tachykardie bestimmten Veränderungen. Die Implementation solcher Auswerteverfähren ist man gels ausreichender Erkenntnisse jedoch noch nicht in die Praxis umgesetzt, wobei im übrigen ebenfalls wieder zu befürchten ist, daß die Anforderun gen an Rechen- und Speicherkapazitäten nach den heutigen Maßstäben zu hoch sind, als daß das entsprechende Verfähren auf einem Implantat im plementiert werden könnte.On the other hand, an early evaluation of the tachycardia Action potentials of cardiac muscle cells used. Their morpholo gy is subject to certain tachycardia early on Changes. The implementation of such evaluation methods is one However, due to insufficient knowledge, it has not yet been put into practice, with the rest being feared that the requirements computing and storage capacities according to today's standards are high than the corresponding procedure on an implant in the could be implemented.

Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Auf gabe zugrunde, eine implantierbare Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe eine zuverlässige Tachykardie-Früherkennung und -Unterdrückung möglich ist.Based on the problems outlined, the invention lies on was based on providing an implantable device with the Help reliable tachycardia early detection and suppression is possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine implantierbare Vorrichtung vorgesehen, die versehen ist mitAn implantable device is provided to achieve this object, which is provided with

- a microelek in contact with the heart muscle tissue Trode arrangement for the detection of conduction potentials in the Heart muscle tissue,
- One associated with the microelectrode arrangement Measuring device for determining the refractory time of the heart muscle cells in the monitored heart area,
- One associated with the microelectrode arrangement Measuring device for determining the rate of conduction in the monitored heart muscle area,
- A computing device for determining the product value from Re fracture time and rate of conduction,
- a comparator for comparing the product value with one Tachycardia limit, the drop below a tachycardia endangered state of the heart signals
- A stimulation device for generating an antitachycard Stimulation when a tachycardia-prone condition is detected especially about the microelectrode arrangement, and
a control device for controlling the device-internal measuring and evaluation processes.

Die Erfindung geht von einem anderen Ansatz zur Früherkennung von Tachykardien aus. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß das Ver hältnis der Reizleitungsgeschwindigkeit innerhalb des Herzmuskelgewe bes zur Refraktärzeit der Herzmuskelzellen als kritische Größe zur Tachykardie-Früherkennung heranzuziehen ist. Es wurde festgestellt, daß tachykardiekritische Herzzustände dadurch charakterisiert sind, daß der Wert des Produktes der Reizleitungsgeschwindigkeit und der Re fraktärzeit unterhalb eines bestimmten Schwellwertes liegt, der im fol genden als Tachykardie-Schwellwert bezeichnet werden soll. Dies läßt sich diagrammatisch erläutern, wobei auf das Ausführungsbeispiel ver wiesen wird.The invention proceeds from a different approach to the early detection of Tachycardia. Studies have shown that the Ver Ratio of the rate of conduction within the heart muscle tissue especially during the refractory period of the heart muscle cells as a critical quantity for Early detection of tachycardia is to be used. It was determined, that tachycardia-critical cardiac states are characterized in that the value of the product of the rate of conduction and the Re fracture time is below a certain threshold value, which in fol should be referred to as the tachycardia threshold. This leaves explain themselves diagrammatically, ver ver on the embodiment will be shown.

Wird nun also erfindungsgemäß die Refraktärzeit und die Reizleitungs geschwindigkeit im überwachten Herzmuskelgewebe durch eine Mikro elektroden-Anordnung erfaßt, genügt ein Vergleich des durch die Re cheneinrichtung bestimmten Produktwertes dieser beiden Größen mit dem Tachykardie-Schwellwert, um entscheiden zu können, ob das Herz sich in einem Tachykardie-gefährdeten Zustand befindet. Dies kann von der implantierten Vorrichtung automatisch durchgeführt werden, wonach im Bedarfsfall über eine Stimulationsvorrichtung antitachykarde Stimu lationen erzeugt werden können.Now, according to the invention, the refractory period and the stimulus conduction speed in the monitored heart muscle tissue by a micro Electrode arrangement detected, a comparison of the Re is sufficient Cheneinrichtung determined product value of these two sizes the tachycardia threshold to help you decide whether the heart is in a state prone to tachycardia. This can be from the implanted device can be performed automatically, after which if necessary via a stimulation device antitachycardia stimu lations can be generated.

Ebenfalls anhand von Grenzwerten kann die Einstufung eines Tachykar die-gefährdeten Zustandes nach seiner Bedrohlichkeit für den Patienten automatisch vorgenommen und daraus eine geeignete Therapie ausge wählt werden.The classification of a tachykar can also be based on limit values the-endangered state according to its threat to the patient carried out automatically and a suitable therapy be chosen.

Bevorzugte Ausführungsformen, weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfin dungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen naher erläutert wird. Es zeigen:Preferred embodiments, further features, details and Advantages of the invention are the dependent claims and the following Description can be seen in which an embodiment of the Erfin Item explained in more detail with reference to the accompanying drawings becomes. Show it:

Fig. 1 ein Kurvendiagramm zur Darstellung des Zusammenhanges zwischen Reizleitungsgeschwindigkeit und Refraktärzeit bei der erfindungsgemäßen Tachykardie-Früherkennung, Fig. 1 is a graph illustrating the relationship between conduction velocity and refractory period in the inventive tachycardia detection,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm des monophasischen Aktionspotentials von Herzmuskelzellen, Fig. 2 is a timing diagram of the monophasic action potential of heart muscle cells,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Tachykardie-Früherkennung und -Unterdrückung, Fig. 3 is a block diagram of an apparatus for tachycardia detection and suppression,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Mikroelektroden-Anordnung der Vorrichtung gemäß Fig. 3, und FIG. 4 shows a top view of a microelectrode arrangement of the device according to FIG. 3, and

Fig. 5 eine vergrößerte perspektivische Darstellung einzelner Elek trodenarme der Mikroelektroden-Anordnung gemäß Fig. 4. Fig. 5 is an enlarged perspective view of individual Elek trodenarme the microelectrode array according to Fig. 4.

In dem Diagramm gemäß Fig. 1 sind auf der Ordinate die Reizleitungs geschwindigkeit v im überwachten Herzmuskelgewebe und auf der Ab szisse die Refraktärzeit t_R qualitativ aufgetragen. Die in das Diagramm eingetragene Hyperbel H stellt bildlich den Tachykardie-Schwellwert T dar, wobei für kritische Herzzustände gilt:In the diagram according to FIG. 1, the stimulus conduction velocity v in the monitored heart muscle tissue is plotted on the ordinate and the refractory time t _{R is} plotted qualitatively on the abscissa. The hyperbola H entered in the diagram depicts the tachycardia threshold value T, the following applies to critical cardiac conditions:

v × t_R < Tv × t _R <T

Bei kritischen Herzzuständen liegt also das Produkt der beiden Größen v und t_R in dem Gebiet K unterhalb der Hyperbel H. Für unkritische Zu stände liegt das Produkt im Bereich U oberhalb der Hyperbel H. Prak tisch umgesetzt bedeutet diese Aussage, daß für einen bestimmten Wert t_R1 der Refraktärzeit die Reizleitungsgeschwindigkeit größer als ein Grenzwert v₁ sein muß. In diesem Falle ist die Reizleitung so schnell, daß im Falle einer umlaufenden, "kreisenden" Erregungsfront E diese die Ausgangszelle noch während der Refraktärzeit erreicht. Damit kann keine selbsterregte Stimulation stattfinden, die zu einem Tachykardiezu stand führen würde. Ist die Reizleitungsgeschwindigkeit v kleiner als der kritische Wert v₁ so ist die Erregungsfront E so langsam, daß sie besagte Ausgangszelle erst nach Ablauf der Refraktärzeit erreicht, womit die Zelle wiederum stimuliert wird und sich ein Tachykardiezustand ein stellen kann.In critical cardiac states, the product of the two variables v and t _{R is} in the region K below the hyperbola H. For uncritical states, the product is in the region U above the hyperbola H. Practically implemented, this statement means that for a certain value t _{R1 of} the refractory period, the rate of conduction must be greater than a limit v 1. In this case, the conduction is so fast that in the case of a revolving, "circling" excitation front E, it reaches the output cell during the refractory period. This means that no self-excited stimulation can take place that would lead to tachycardia. If the rate of stimulus conduction v is less than the critical value v 1, the excitation front E is so slow that it only reaches said starting cell after the refractory period has expired, which in turn stimulates the cell and a tachycardia state can arise.

Anhand von Fig. 2 ist die Definition der Refraktärzeit t_R zu erläutern. Dieses Diagramm stellt das sogenannte monophasische Aktionspotential MAP einer Herzmuskelzelle aufgetragen gegenüber der Zeit t dar. Das MAP zeigt die Erregungsfront E der Zelle in Form der steil ansteigenden Flanke. Nach dem Potentialmaximum M von typischerweise 90 mV klingt das MAP mit der gezeigten Kurvenform auf das Ruhepotential von typisch -30 mV ab.The definition of the refractory period t _{R is} to be explained with reference to FIG. 2. This diagram shows the so-called monophasic action potential MAP of a heart muscle cell plotted against time t. The MAP shows the excitation front E of the cell in the form of the steeply rising flank. After the potential maximum M of typically 90 mV, the MAP decays to the resting potential of typically -30 mV with the curve shape shown.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Refraktärzeit t_R als die Periode defi niert, innerhalb derer der Wert des MAP′s größer als 10% der absoluten MAP-Bandbreite B (Fig. 2) ist (sog. "MAPd90-Wert").As can be seen from FIG. 2, the refractory period t _{R is defined} as the period within which the value of the MAP is greater than 10% of the absolute MAP bandwidth B ( FIG. 2) (so-called "MAPd90 value" ).

Die Messung der Reizleitungsgeschwindigkeit v und der Refraktärzeit t_R wird mittels eines einzigen Mikroelektroden-Gatters 23 durchgeführt, wie dies anhand von Fig. 4 und 5 noch näher erläutert wird. Unter Be zugnahme auf Fig. 3 soll davor der Aufbau der erfindungsgemäßen Vor richtung zur Tachykardie-Früherkennung erläutert werden.The measurement of the stimulus conduction velocity v and the refractory time t _R is carried out by means of a single microelectrode gate 23 , as will be explained in more detail with reference to FIGS. 4 and 5. With reference to FIG. 3, the structure of the inventive device for tachycardia early detection is to be explained beforehand.

Gemäß der funktionsschematischen Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 3 weist diese als Herzstück eine Steuereinrichtung 1 auf, die in übli cher Weise auf Mikroprozessorbasis realisiert ist und mit entsprechen den Ablaufprogrammen die vorrichtungsinternen Meß- und Auswerte abläufe steuert, wie sie noch näher erläutert werden.According to the functional schematic representation of the device according to FIG. 3, the heart of this is a control device 1 , which is implemented in the usual way on a microprocessor basis and controls the device-internal measurement and evaluation processes with corresponding sequence programs, as will be explained in more detail.

Zur Erfassung der Reizleitungspotentiale im Herzmuskelgewebe ist nun eine damit in Kontakt stehende Mikroelektroden-Anordnung 2 vorgese hen, die in Fig. 3 schematisch angedeutete bzw. in Fig. 4 und 5 darge stellte Elektrodenarme 3 aufweist. Die Mikroelektroden-Anordnung 2 kann (wie nicht dargestellt ist) auf einer in das Ventrikel oder Atrium der rechten Herzseite einführbaren Elektrodensonde positioniert sein, wie dies bei Elektrodensonden von Herzschrittmachern oder Defibrillatoren bekannt ist.To detect the stimulus conduction potentials in the cardiac muscle tissue in contact therewith a microelectrode array is now 2 vorgese hen that schematically indicated in FIG. 3 or in Fig. 4 and 5 presented Darge electrode arms 3 has. The microelectrode arrangement 2 can (as is not shown) be positioned on an electrode probe that can be inserted into the ventricle or atrium of the right side of the heart, as is known for electrode probes from pacemakers or defibrillators.

Zur Selektierung eines zur Messung aktivierten Paars von Elektrodenar men 3 dient eine Beschaltungseinheit 4, die von der Steuereinrichtung 1 gesteuert wird. Damit können zwei bestimmte Elektrodenarme 3 der Mi kroelektroden-Anordnung 2 auf die beiden Eingangskanäle 5, 6 der Vor richtung geschaltet werden. In beiden Eingangskanälen 5, 6 sind jeweils Eingangsverstärker 7 und Bandpaßfilter 8 zur Signalaufbereitung einge schaltet. Dem Eingangskanal 5 ist ein erster Schwellwert-Komparator 9 und diesem wiederum ein Refraktärzeit-Glied 10 zugeordnet. Eingangs kanal 5 mit Schwellwert-Komparator 9 und Refraktärzeit-Glied 10 bil den praktisch eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Refraktärzeit der Herzmuskelzellen. Dazu wird dem Schwellwert-Komparator 9 von der Steuereinrichtung 1 über eine Schwellwertvorgabe 11 der Schwellwert MAPd90 vorgegeben und mit dem von der Mikroelektroden-Anordnung 2 ermittelten MAP verglichen. Das ReIraktärzeit-Glied 10 bestimmt da bei die Periode, in der der MAP-Wert größer als der MAPd90-Wert ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt wurde. Die Periodendauer entspricht defi nitionsgemäß der Refraktärzeit t_R.A selection unit 4 , which is controlled by the control device 1, serves to select a pair of electrode arms 3 activated for measurement. Thus, two specific electrode arms 3 of the micro-electrode arrangement 2 can be switched to the two input channels 5 , 6 of the device. In both input channels 5 , 6 each input amplifier 7 and bandpass filter 8 are switched on for signal processing. A first threshold value comparator 9 is assigned to the input channel 5 and this in turn is assigned a refractory element 10 . Input channel 5 with threshold comparator 9 and refractory element 10 bil practically a measuring device for determining the refractory time of the heart muscle cells. For this purpose, the threshold value comparator 9 is predetermined by the control device 1 via a threshold value specification 11 and the threshold value MAPd90 and compared with the MAP determined by the microelectrode arrangement 2 . The secondary time element 10 determines the period in which the MAP value is greater than the MAPd90 value, as was shown in FIG. 2. The period corresponds to the refractory period t _{R by} definition.

Dem zweiten Eingangskanal 6 ist ein zweiter Schwellwert-Komparator 12 zugeordnet, dem über die Schwellwert-Vorgabe 13 wiederum der MAPd90-Wert als Schwellwert für die Berechnung der Reizleitungszeit vorgegeben wird. Die beiden Schwellwert-Komparatoren 9 und 12 sind mit einem weiteren Zeitglied, nämlich dem Reizleitungszeit-Glied 14 verbunden, das die Zeitspanne bestimmt, die zwischen dem Zeitpunkt des Erreichens der MAPd90-Schwelle im ersten und zweiten Schwell wert-Komparator 9 und 12 vergeht. Diese Zeitspanne entspricht der Zeitdauer, die die Erregungsfront E vom einen selektierten Elektroden arm 3 zum zweiten selektierten Elektrodenarm 3 benötigt. Über die Steuereinrichtung 1 ist wiederum aus einem (nicht dargestellten) Spei cher die Entfernung a (Fig. 4) zwischen diesen beiden Elektrodenarmen 3 abrufbar, so daß durch diese Entfernungsvorgabe 15 und der vom Reizleitungszeit-Glied 14 ermittelten Reizleitungszeit in einem Re chenglied 16 die Reizleitungsgeschwindigkeit als Quotient aus diesen Größen ermittelt werden kann. Der zweite Eingangskanal 6 mit dem Schwellwert-Komparator 9, dem Reizleitungszeit-Glied 14, der Entfer nungsvorgabe 15 und dem Rechenglied 16 dient praktisch als Meßein richtung zur Bestimmung der Reizleitungsgeschwindigkeit im über wachten Herzmuskelbereich.The second input channel 6 is assigned a second threshold value comparator 12 , to which the MAPd90 value is in turn specified as a threshold value for calculating the stimulus conduction time via the threshold value specification 13 . The two threshold value comparators 9 and 12 are connected to a further timing element, namely the stimulus conduction time element 14 , which determines the period of time that elapses between the time the MAPd90 threshold is reached in the first and second threshold value comparators 9 and 12 . This period corresponds to the duration required for the excitation front E from a selected electrode arm 3 to the second selected electrode arm. 3 Via the control device 1 , in turn, the distance a ( FIG. 4) between these two electrode arms 3 can be called up from a memory (not shown), so that this distance specification 15 and the stimulus conduction time 14 determined by the conduction time element 14 in a calculation element 16 in a re The rate of stimulus conduction can be determined as a quotient from these variables. The second input channel 6 with the threshold comparator 9 , the stimulus conduction time element 14 , the distance specification 15 and the computing element 16 serves practically as a measuring device for determining the conduction speed in the monitored heart muscle area.

Die vom Refraktärzeit-Glied 10 und dem Rechenglied 16 ermittelten Werte für die Reizleitungsgeschwindigkeit v im überwachten Herzmus kelbereich und die Refraktärzeit der dortigen Herzmuskelzellen werden einer Recheneinrichtung 17 zugeführt, die daraus den Produktwert be stimmt. In dem dritten Schwellwert-Komparator 18 wird verglichen, ob dieser Produktwert größer oder kleiner einem Tachykardie-Schwellwert ist, es wird also festgestellt, ob sich das Herz in einem tachykardiege fährdeten Zustand (Produktwert im Bereich K unter der Hyperbel gemäß Fig. 1) oder in einem unkritischen Zustand (Bereich U oberhalb der Hy perbel H) befindet.The values determined by the refractory element 10 and the computing element 16 for the stimulus conduction velocity v in the monitored heart muscle area and the refractory time of the heart muscle cells there are fed to a computing device 17 which determines the product value therefrom. The third threshold value comparator 18 compares whether this product value is greater or less than a tachycardia threshold value, so it is determined whether the heart is in a state prone to tachycardia (product value in the region K below the hyperbola according to FIG. 1) or is in an uncritical state (area U above the Hy perbel H).

Wird ein tachykardiegefährdeter Zustand festgestellt, wird von der Steu ereinrichtung 1 über die beiden jeweils einen Ausgangsverstärker 19, 20 aufweisen Ausgangskanäle 21, 22 eine antitachykarde Stimulation über die Mikroelektroden-Anordnung 2 dem Herzen aufgegeben.If a tachycardia-endangered state is determined, the control device 1, via the two output amplifiers 19 , 20 each, has output channels 21 , 22 that provide antitachycardia stimulation via the microelectrode arrangement 2 to the heart.

Anhand von Fig. 4 und 5 wird kurz der Aufbau der Mikroelek troden-Anordnung 2 beschrieben. Die Mikroelektroden-Anordnung 2 ist als planares Mikroelektroden-Gatter 23 (ein sogenanntes interdigitales Ar ray (IDA)) ausgestaltet, das kammartig ineinandergreifende, fingerartige Elektrodenarme 3 aufweist. Jeder Elektrodenarm 3 besteht aus einem leitenden Streifen aus Edelmetall (z. B. Platin, Iridium oder dergleichen), die in eigens präparierte Oberflächen auf Siliciumchips eingelegt und mit einer biokompatiblen, fluidresistenten, elektrisch isolierenden Schicht 24 abgedeckt sind. Auf den Fingerstrukturen weist die in Drauf sicht kammartige Schichtkonfiguration Öffnungen 25 mit einem Durch messer von 0,5 bis 10 µm auf, die einen elektrischen Kontakt zum Zell gewebe ermöglichen. Diese Öffnungen stellen die eigentlichen Mikro elektroden dar. Das gesamte Gatter weist eine Größenordnung von etwa 1 × 1 mm² auf.Referring to Fig. 4 and 5, the structure of the Mikroelek trodes assembly 2 will be described briefly. The microelectrode arrangement 2 is designed as a planar microelectrode gate 23 (a so-called interdigital ar ray (IDA)) which has interdigitated, finger-like electrode arms 3 . Each electrode arm 3 consists of a conductive strip of noble metal (e.g. platinum, iridium or the like) which is placed in specially prepared surfaces on silicon chips and covered with a biocompatible, fluid-resistant, electrically insulating layer 24 . On the finger structures, the top-view comb-like layer configuration has openings 25 with a diameter of 0.5 to 10 μm, which enable electrical contact to the cell tissue. These openings represent the actual micro electrodes. The entire gate has a size of about 1 × 1 mm².

Die fingerartige Struktur gestattet sowohl die Abnahme von orts- und zeitabhängigen Potentialen hoher Auflösung als auch die Abgabe von Strompulsen hoher Stromdichte an das Zellgewebe, was für jedes Fin gersystem aufgrund der von der Steuereinrichtung 1 gesteuerten Be schaltungseinheit 4 individuell oder simultan geschehen kann.The finger-like structure allows both the removal of location and time-dependent potentials of high resolution and the delivery of current pulses of high current density to the cell tissue, which can be done individually or simultaneously for each fin gersystem due to the control unit 1 controlled by the control unit 4 Be.

Vorteilhaft ist dabei die gleichzeitig mögliche Stimulation und Messung an verschiedenen Elektrodenarmen 3 des Mikroelektroden-Gatters 23. Die Elektrodentechnologie gestattet es ferner, planare Chipelektroden durch galvanisches Aufwachsen oder Grautonlithographie zu sphäri schen Gebilden zu formen und sie auch in Verbundsystemen aus ver schiedenen Chips räumlich oder planar zu kombinieren.The simultaneous possible stimulation and measurement on different electrode arms 3 of the microelectrode gate 23 is advantageous. The electrode technology also allows planar chip electrodes to be formed into spherical structures by means of galvanic growth or gray-tone lithography, and to combine them spatially or planar in composite systems made of different chips.

Die Anwendung von interdigitalen Arrays ist prinzipiell z. B. aus dem Artikel von M. Paeschke et al. "Properties of interdigital electrode arrays with different geometries" in Analytica Chimica Acta 305 (1995), S. 126 bis 136, für elektroanalytische Zwecke bekannt. Die erfindungs gemäße Mikroelektroden-Anordnung stellt eine Weiterentwicklung der dort dargestellten Grundkonzeption dar, bei der jedoch die gesamte Kammstruktur elektrisch leitfähig und damit als Elektrode ausgebildet ist.The use of interdigital arrays is principally z. B. from the article by M. Paeschke et al. "Properties of interdigital electrode arrays with different geometries" in Analytica Chimica Acta 305 (1995), pp. 126 to 136, are known for electroanalytical purposes. The microelectrode arrangement according to the invention represents a further development of the basic concept shown there, in which, however, the entire comb structure is electrically conductive and is therefore designed as an electrode.

Die dargestellten Mikroelektroden haben insbesondere bei der Messung des oben angegebenen MAP′s hinsichtlich ihrer elektrischen Eigen schaften besondere Bedeutung. Die Phasengrenze zwischen Elektrode und Herzmuskelgewebe läßt sich elektrisch als Parallelschaltung eines Kondensators (der sogenannten "Helmholtz-Kapazität") und eines Wi derstandes (des sogenannten "Faraday-Widerstandes") charakterisieren. Eine für die Messung von Aktionspotentialen ausreichend geringe Pha sengrenz-Impedanz dieser Anordnung weisen die Elektroden dann auf, wenn sie geeignete Oberflächenbeschichtungen aufweisen. Letzteres kann durch eine fraktale oder elektroaktive Beschichtung erreicht wer den. Von Vorteil ist ferner, daß aufgrund der Gatteranordnung die gün stigen elektrischen Eigenschaften von Mikroelektroden wie hohe Strom dichte bei Stimulation und großer Frequenzbereich des Meßsignales bei Wahrnehmung, hervorgerufen durch die Dominanz des sphärischen Dif fusionsanteiles gegenüber dem linearen Anteil, erhalten bleiben. Die Anwendung solcher Mikroelektroden-Gatter ist beispielsweise aus der US 4,969,468 A1 zur Messung an Zellgeweben oder Organen bekannt. Hierbei wird jedoch nur kapazitiv gemessen, da die eigentlichen Elek troden von einer dielektrischen Schicht abgedeckt sind.The microelectrodes shown are particularly useful when measuring of the above MAP's with regard to their electrical properties special importance. The phase boundary between the electrode and cardiac muscle tissue can be electrically connected in parallel as one Capacitor (the so-called "Helmholtz capacitance") and a Wi characterize the (the so-called "Faraday resistance"). A sufficiently low Pha for the measurement of action potentials The electrodes then have the limit impedance of this arrangement, if they have suitable surface coatings. The latter can be achieved by a fractal or electroactive coating the. It is also advantageous that due to the gate arrangement the gün electrical properties of microelectrodes such as high current density with stimulation and large frequency range of the measurement signal Perception caused by the dominance of the spherical dif fusion component compared to the linear component, are retained. The Application of such microelectrode gates is, for example, from the No. 4,969,468 A1 for measurement on cell tissues or organs. However, this is only measured capacitively, since the actual elec troden are covered by a dielectric layer.

In der vorliegenden Anwendung können zusammenfassend die Refrak tärzeit und die Reizleitungsgeschwindigkeit im Herzmuskelgewebe er findungsgemäß durch ein Mikroelektroden-Gatter erfaßt werden, wobei ein Vergleich des Produktes der beiden vorgenannten Werte mitjeweili gen Schwellwerten ausreicht, um entscheiden zu können, ob das Herz sich in einem tachykardiegefährdeten Zustand befindet. Ebenfalls an hand von Schwellwerten kann eine Einstufung des eventuell eingetrete nen Tachykardie-Zustandes nach seiner Bedrohlichkeit für den Patienten vorgenommen und damit vom System eine geeignete Therapie ausge wählt werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ultramikroelektroden können aufgrund besonders vorteilhafter Diffusionsverhältnisse Meßsi gnale mit wesentlich verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis und erheb lich erweitertem Frequenzbereich bei Wahrnehmung gewonnen werden. Darüber hinaus ist eine um Größenordnungen erhöhte Stromdichte bei Stimulationsprozessen möglich.In the present application, the Refrak tärzeit and the rate of conduction in the heart muscle tissue be detected by a microelectrode gate, wherein a comparison of the product of the two aforementioned values with each enough threshold values to be able to decide whether the heart is in a state prone to tachycardia. Also on Threshold values can be used to classify the eventuality tachycardia state according to its threat to the patient made and thus the system out appropriate therapy be chosen. With the help of the ultramicroelectrodes according to the invention can due to particularly advantageous diffusion conditions Meßsi gnale with significantly improved signal-to-noise ratio and elevated broadened frequency range when perceived. In addition, a current density increased by orders of magnitude Stimulation processes possible.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 3 die erfindungsge mäße Vorrichtung lediglich funktionell und blockdiagrammartig gezeigt ist. In der praktischen Umsetzung wird diese Vorrichtung auf Mikropro zessorbasis unter Steuerung durch funktionsgerechte Ablaufprogramme realisiert, wie dies aus der Herzschrittmacher-Technologie bekannt ist. Entsprechend kann die Steuereinrichtung 1 von außen telemetrisch um programmierbar sein, um die erfindungsgemäße Tachykardie-Früherken nungsvorrichtung sich ändernden kardiologischen Rahmenbedingungen anpassen zu können.Finally, it is pointed out that in Fig. 3 the device according to the invention is only shown functionally and in the form of a block diagram. In practical implementation, this microprocessor-based device is implemented under the control of function-oriented sequence programs, as is known from cardiac pacemaker technology. Accordingly, the control device 1 can be telemetrically programmable from the outside in order to be able to adapt the tachycardia early detection device according to the invention to changing cardiological framework conditions.

Claims

1. Implantable device for tachycardia early detection and

- Suppression with the heart
- A microelectrode arrangement ( 2 ) in contact with the heart muscle tissue for detecting potentials of conduction in the heart muscle tissue,
one with the microelectrode arrangement ( 2 ) are connected to the measuring device ( 9 , 10 , 11 ) for determining the refractory time (t _e ) of the heart muscle cells in the monitored heart area,
- One with the microelectrode arrangement ( 2 ) are connected to the measuring device ( 12 , 13 , 14 , 15 ) for determining the speed of irritation line (v) in the monitored heart muscle area,
- a computing device ( 17 ) for determining the product value from the refractory period (t _R ) and the rate of conduction (v),
- a comparator ( 18 ) for comparing the product value with a tachycardia limit value (T), the undershoot of which indicates a tachycardia-endangered state of the heart,
- A stimulation device ( 19 , 20 , 21 , 22 ) for generating an antitachycardic stimulation upon detection of a tachycardia-endangered state, in particular via the microelectrode arrangement ( 2 ), and
- A control device ( 1 ) for controlling the device-internal measurement and evaluation processes.

2. Device according to claim 1, characterized in that the Mi microelectrode arrangement ( 2 ) is a planar microelectrode gate ( 23 ) with interdigitated, finger-like electrode arms ( 3 ).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the microelectrode arrangement ( 2 ) is positioned on an electrode probe which can be inserted into the ventricle or atrium.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that by means of the control device ( 1 ) via a wiring unit ( 4 ) in pairs electrode arms ( 3 ) of the microelectrode arrangement ( 2 ) variable for determining the refractory period (t _R ) and Sensitivity time (v) are selectable.

5. The device according to claim 4, characterized in that the select electrode arms ( 3 ) with two input channels ( 5 , 6 ) can be coupled, in each of which threshold comparators ( 9 , 12 ) are switched on for signal detection.

6. The device according to claim 5, characterized in that the threshold comparators ( 9 , 12 ) with timing elements ( 10 , 14 ) for determining the refractory time (t _R ) and the conduction time (v) between the two selected electrode arms ( 3 ) assigned.

7. The device according to claim 6, characterized by a computing element ( 16 ) for calculating the stimulus conduction velocity (v) from the stimulus conduction time and the predetermined via the control device ( 1 ) from (a) of the selected electrode arms ( 3 ).

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the control device ( 1 ) two output channels ( 21 , 22 ) with output amplifiers ( 19 , 20 ) are connected downstream as a stimulation device.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the measuring, computing, comparator and control devices ( 1 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ) are implemented on a microprocessor basis under the control of function-oriented sequence programs.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in net that the device from the outside preferably umpro umpro is grammable.

11. The device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the microelectrode arrangement ( 2 ) in the form of a micro electrode gate ( 23 ) with interdigitating interlocking electrical arms ( 3 ) has an insulating layer ( 24 ), the Openings ( 25 ) above the electrode arms ( 3 ) form the microelectrodes.